CN104110252A - 基于惯性传感器的长大锚索钻孔孔道测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于惯性传感器的长大锚索钻孔孔道测量系统，包括数据采集系统，以及固定数据采集系统的设备专用杆和固定杆、便携工作站、手持终端，数据采集系统其中的中央芯片A面集成有MEMS运动追踪模块、九轴传感器模块、数据存储模块、蓝牙传输模块，其中央芯片B面为主控制器单元，数据采集系统主要用于采集数据，并向手持终端或便携工作站进行数据传输。本发明的优点在于：针对锚索钻孔特殊的钻孔环境，本系统具有抗干扰能力强的特点，经过数据优化处理后能得到高精度的三维空间孔道图。

Description

基于惯性传感器的长大锚索钻孔孔道测量系统

技术领域

本发明涉及滑坡、高大边坡岩土工程锚固技术领域，具体为一种基于惯性传感器的长大锚索钻孔孔道测量系统。 

背景技术

锚固技术作为一种有效措施在滑坡治理、高边坡加固工程中得到了成功的应用，但由于地质条件和施工技术因素的影响，在锚索工程钻进施工中，往往产生锚索钻孔孔道与设计方向偏离（即所谓的“锚索钻孔弯曲”）。尤其在长大锚索工程施工中，这种钻孔孔道的偏离更为严重，由此会导致例如塌孔、下锚困难、两孔交汇、钻孔报废、有效锚固力下降等诸多技术问题，因此对钻孔孔道的测量和偏离控制也越来越受到设计和施工部门的重视。 

特别是长大锚索永久性工程，对锚索孔的钻造质量提出了十分严格的技术要求。但是迄今为止，对于施工部门来说，在长大锚索施工中对锚孔孔道的测量技术还不成熟，尚无法准确掌握锚孔孔道的偏离特征，故很难有针对性地采取纠偏工艺。因此，有必要开发一种能快速、准确得到锚孔孔道偏移特征的测量系统，以便于进一步控制锚索钻孔的质量，提高锚索技术的应用水平。 

专利申请号为201110048965.4公开了一种利用陀螺测斜仪点测井眼的方法，将装有两个双自由度挠性陀螺仪和双石英加速度计的陀螺测斜仪固定在载体上，并随载体伸入井眼内；将陀螺仪和石英加速度计采集的数据带入 ，求出方位角γ、倾斜角α、和横滚角β。通过陀螺仪采集井下数据，并经滤波、姿态解算以及转位测量井眼中某一点的方位角、倾斜角和横滚角，可靠性好，精度高，测量速度快；本方法通过嵌入式计算机来实现，达到在井下数据采集和解算的目的，利用测量数据绘制出井眼轨迹图，便于获得所钻井眼的轨迹；上述方法中采用的陀螺仪是一种灵敏度高，稳定性好，不受磁场干扰，使用方便，且依靠测量地球的自转角速度来完成测量斜点测。但上述方法只能测量2个方位，且主要方法侧重在电信号与数字信号的转换算法，没有形成有效的可操作的成品。 

中国专利201310146626.9公开了一种地球物理勘探，特别是一种煤矿井下轨迹记录仪；所述煤矿井下轨迹记录仪，包括：DSP＋FPGA处理器、LCD、电源、USB接口、信号调理电路和传感器；上述发明对微小的轨迹变化都能进行记录，提高了合成三维空间轨迹精确度，避免了由于深度测量装置带来的误差；应用于煤矿井下钻孔轨迹测量和定向钻进的造斜精确度检测，还应用于测量巷道、迎头掘进、工作面等从而扩展了应用的范围，使得轨迹数据输出到PC计算机，为其它矿井物探解析软件提供地理信息。但该发明对重力、钻进振动等因素对传感器采集数据的影响考虑不够，没有给出相应解决方案。 

    上述两项技术有各自的使用条件，在长大锚索孔道测量时应用还存在技术上的不足。 

    实际运用中，钻孔孔道测量数据误差主要来源于惯性传感器的精度误差与在测量过程中机械振动带来的误差，加速度计极易受到机械振动的影响，陀螺仪由于零点漂移误差的存在，各传感器的安装定位误差等。由于这些误差的综合作用，致使在测量仪输出中引入了静态偏差和动态偏差项。 

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于惯性传感器的长大锚索钻孔孔道测量系统，包括数据采集系统，以及固定数据采集系统的设备专用杆和固定杆、便携工作站、手持终端，数据采集系统其中的中央芯片A面集成有MEMS运动追踪模块、九轴传感器模块、数据存储模块、蓝牙传输模块，其中央芯片B面为主控制器单元，数据采集系统主要用于采集数据，并向手持终端或便携工作站进行数据传输。 

所述的MEMS运动追踪模块、九轴传感器模块的作用是获取锚索在钻孔过程中连续特征点上的运动惯性数据，通过对每个特征点的数据进行解算获得连续特征点的三维坐标，从而由各个特征点的空间三维坐标构建出整个钻孔孔道位置； 

所述的便携工作站为置入软件系统的计算机，通过蓝牙接收数据采集系统采集的数据，进行数据处理，并进行可视化显示，或生成标准格式的数据与图形导出到其他设备；

进一步的，所述的软件系统为数据接收系统、数据处理算法系统、误差补偿处理系统以及三维空间轨迹显示系统；

数据接收系统为接收中央单元采集的数据，并临时存储，以便于进行下一步的处理；

数据处理算法系统是将采集的原始数据按卡尔曼滤波算法进行处理，得到可掌握的格式的各特征点三维空间坐标，利于图形显示；

误差补偿处理系统是通过马尔科夫运动模型的速度修正算法对原始三维坐标数据进行处理，消除重力、振动等对数据结果的影响；

三维空间轨迹显示系统是基于OpenGL的数据处理与轨迹生成软件，完成从运动惯性数据到特征点的空间三维坐标的解算功能，进一步从特征点坐标到三维轨迹的绘制和显示。

所述九轴传感器模块分别为三轴陀螺仪、三轴加速度计以及磁力传感器模块，三轴陀螺仪完成锚索当前姿态角的测量，三轴加速度计完成锚索钻孔过程中在X,Y,Z方向上产生的加速度，磁力传感器完成对倾斜误差的补偿，校正运动惯性数据。 

数据存储模块为SD卡，传感器模块经过运动感测融合算法处理后输出原始的感测数据，并作为输入进入主控单元再次经过数据优化算法后以数据包的形式高速的存储到SD卡读写模块上，以备之后读取数据进行三维孔道重构； 

蓝牙传输模块主要承担通信、数据传输功能，将SD卡中存储的数据传输入便携工作站或手持终端进行处理。

所述手持终端为控制数据采集系统进行工作或停止工作的设备，采用蓝牙技术对数据采集系统进行控制；并且带有显示屏；实时显示设备所处状态及通过蓝牙技术对电源电量监控得到的电源的电量，预设电量不足报警阈值；并能通过android平台对感测数据处理、完成钻孔孔道的绘制与显示。 

可充电电源为整个钻孔轨迹测量系统提供需要的供电电源。 

   本发明的优点在于：针对锚索钻孔特殊的钻孔环境，本系统具有抗干扰能力强的特点，经过数据优化处理后能得到高精度的三维空间孔道图。考虑到实际施工过程中工作人员的使用感受，本发明针对现实可能情况设计出操作简单的硬件装置及简单的安装过程；专门开发配套的客户端软件，在数据采集过程完成之后，工作人员经过简单的操作之后就能生成准确的钻孔孔道三维空间图。该产品成本低，轻便小巧，使用方便，测量误差小于3%，续测能力出色。 

附图说明

图1为长大锚索钻孔孔道测量系统具体结构框架图。 

图2为长大锚索钻孔孔道测量系统硬件组构三维图。 

图3为长大锚索钻孔孔道测量系统硬件组构剖面图。 

图4为数据采集系统硬件组构。 

图5为中央芯片A面硬件组构。 

图6为中央芯片B面硬件组构。 

图7为马尔科夫运动模型速度修正算法的流程框图。 

图8为长大锚索钻孔孔道测量系统操作流程。 

图中：1－推进钻头；2－数据采集系统；3－设备专用杆；4－固定杆；5－手持终端；6－便携工作站；7－螺丝扣连接；8－中央芯片；9－封装盒；10－可充电电源；11－USB接口；12－固定弹簧；13－集成电路；14－数据存储模块（SD卡）；15－蓝牙传输模块；16－MEMS运动追踪模块；17－九轴传感器模块；18－主控制器单元。 

具体实施例

   下面结合附图对本发明作进一步描述。 

   一种锚索钻孔孔道的测量系统，包括硬件系统与软件系统。整个系统的具体结构框架如图1。硬件系统由设备专用杆3、数据采集系统2、推进钻头1、固定杆4、可充电电源10、手持终端5、便携工作站6组成。如图2～6。 

    设备专用杆3为长圆管型铝制管件，圆管内部中间部位留有凸起的卡口，便于两端置入数据采集系统2，设备专用杆3两端采用加橡胶圈的螺丝扣7的方式连接推进钻头1与固定杆4。 

    推进钻头1起密封、保护数据采集系统2以及便于设备专用杆3进入钻孔目的。 

固定杆4起固定、密封数据采集系统2以及加橡胶圈的螺丝扣7连接外接钻杆之用。 

手持终端的功能主要分3个部分：（1）通过蓝牙通信技术，控制中央单元的运行与停止。（2）在中央控制单元充电之后，实时发送电量的信息，监控中央控制单元的电源电量，电量不足报警阈值时，警告使用人员进行充电。（3）当中央控制单元数据采样完成后，手持设备对中央控制单元下发停止采集的命令，此时中央控制单元收到停止命令后，停止采集数据，同时将保存在控制单元中SD卡中的数据传送给手持设备端，手持设备对数据进行滤波、误差修正处理，通过显示屏显示出锚索钻孔孔道三维图形。功能（3）依赖于在Android平台下安装软件系统来实现。 

便携工作站6为置入软件系统的计算机，通过蓝牙技术接收数据采集系统2采集的数据，进行数据处理，并进行可视化显示，亦可生成标准格式的数据与图形，可导出到其他设备。 

   数据采集系统2是锚索钻孔的三维轨迹的测量系统硬件部分的核心部分，为封装圆管型元件，主要功能采集数据，并向手持终端5或便携工作站6进行数据传输。主要由集成的中央芯片8、电源10、封装盒9及外装封闭铝制圆管组成。铝制圆管留有USB接口11，以便于为电源10充电。封装盒9将中央芯片8与电源10封装，并连出有引线，连接到铝制圆管的USB接口11，以供电源10充电之用。封装盒9与铝制圆管间采用弹簧12连接，不仅可起固定作用，还可以在振动时起缓冲作用。 

    可充电电源10为整个钻孔孔道测量系统提供需要的供电电源。 

    中央芯片8为集成芯片，分A、B两面。中央芯片A面集成有MEMS运动追踪模块16、九轴传感器模块17、数据存储模块14、蓝牙传输模块15。 

   MEMS运动追踪模块16/九轴传感器模块17整合了陀螺仪、加速度计、磁力传感器，提供九轴运动感测追踪功能。其中，三轴陀螺仪完成锚索当前姿态角的测量，三轴加速度计完成锚索钻孔过程中在X,Y,Z方向上产生的加速度，磁力传感器完成对倾斜误差的补偿，校正运动惯性数据。此模块的主要作用是获取锚索在钻孔过程中连续特征点上的运动惯性数据，通过对每个特征点的数据进行解算获得连续特征点的三维坐标，从而由各个特征点的空间三维坐标构建出整个钻孔孔道位置。 

   数据存储模块为SD卡，传感器模块经过运动感测融合算法处理后输出原始的感测数据，并作为输入进入主控单元再次经过数据优化算法后以数据包的形式高速的存储到SD卡存储模块上，以备之后读取数据进行三维孔道重构。本系统中，传感器模块经过运动感测融合算法处理后输出原始的感测数据，并作为输入进入主控单元再次经过数据优化算法后以数据包的形式高速的存储到SD卡读写模块上，以备之后读取数据进行三维孔道重构。 

   蓝牙传输模块主要承担通信、数据传输功能，将SD卡中存储的数据传输入便携工作站或手持终端进行处理。 

   中央芯片B面集成主控制器单元，作为整个中央芯片部分的控制单元，所有的控制算法以及信息存储控制都由它来完成。 

   软件系统由数据接收系统、数据处理算法系统、误差补偿处理系统、三维空间孔道显示系统、手持终端应用组成。 

   数据接收系统为接收中央单元采集的数据，并临时存储，以便于进行下一步的处理。 

   数据处理算法系统是将采集的原始数据按卡尔曼滤波算法进行处理，得到可掌握的格式的各特征点三维空间坐标，利于图形显示。 

   误差补偿处理系统是通过马尔科夫运动模型的速度修正算法对原始三维坐标数据进行处理，消除重力、振动等对数据结果的影响。 

   三维空间孔道显示系统是基于OpenGL的数据处理与孔道生成软件，完成从运动惯性数据到特征点的空间三维坐标的解算功能，进一步从特征点坐标到三维孔道的绘制和显示。将处理后的钻孔孔道数据以三维图形形式展示，绘制三维孔道图形时，首先调用相应函数绘制外部框架以及坐标轴，外部框架和坐标轴刻度绘制好后，开始绘制钻孔孔道图。通过声明一个相应类型的二次曲面对象，调用相应函数得到声明的二次方程对象，利用相应函数加载钻孔空间坐标数据绘制钻孔孔道。为了显示的更直观，通过相应函数将孔道的起点（钻孔起点）移动至立方体框架的中心。同时作出原设计钻孔位置，以便于对比，并在实测量孔道发生偏转点处标示出偏转角度。 

    钻孔数据采集系统，由内部的MEMS运动追踪模块16与九轴传感器模块17组成的惯性传感器实时监测锚索钻孔过程中产生的运动惯性数据和磁通量信号，经过主控单元优化处理后将原始数据放在数据存储模块，测量结束后通过蓝牙传输模块15输出到便携工作站6或手持终端5。 

   一套本系统中采用两个钻孔数据采集系统，目的是为了相互校正，提高测量精度。 

   主控制器单元18，主要采用基于ATmega328核心处理器的Arduino Uno开源开发板，该开发板搭载8位微控制器，具有32KB存储器容量、USB接口、ICSP header、I2C总线、工作时钟16MHz。由于锚索钻孔孔道测量实时性要求不高，因此这样一款主控开发板完全满足数据采集和处理的要求。通过程序实现从运动追踪模块高速的获取传感器的感测数据，并且传感器和主控制器之间采用有线连接的方式来满足较高的数据传输速率要求，避免其他因素带来的噪声干扰。 

   蓝牙传输模块15，蓝牙技术作为一门低成本低功耗的无线连接技术，将钻孔数据采集系统与外界设备建立起专门的连接。利用蓝牙模块实现将数据存储模块的孔道信息数据包通过无线发送的方式传给外部设备，无须通过有线连接的方式来实现数据传输。除此之外，主控制单元的启动和关闭也是通过蓝牙发送指令的方式来实现，从而达到了真正的独立运行，一旦钻孔数据采集盒安装完成无须频繁的拆卸，便可以实现从采集到孔道生成的全部控制过程。 

    可充电电源模块10，整个钻孔孔道测量系统需要一个供电电源，主要给主控单元Arduino Uno供电，再由Arduino Uno给其他模块供电。考虑到系统的便利性，电源采用可充电式移动电源作为供电模块。不仅可以为系统提供稳定的5V工作电压，还具有拆卸方便、充电简单等特点。 

    基于OpenGL的数据处理与孔道生成软件：主要用于提取到数据存储模块中的感测数据包后，通过数据处理解算出空间三维坐标，实现钻孔孔道三维重构。该软件主要分为两部分，基于马尔科夫运动模型速度修正算法的数据处理模块和基于OpenGL的钻孔孔道三维重构模块。其中基于马尔科夫运动模型速度修正算法的数据处理模块主要针对锚索钻孔过程中巨大的机械振动、短时间内位移的平稳增长过程、安装钻杆带来的短暂停滞等特点分别采用了卡尔曼滤波算法，马尔科夫过程和无线定位方法来对数据进行二次处理，处理后的感测数据更加精准。这些多次处理后精准的感测数据通过马尔科夫运动模型速度修正算法便可以解算出特征点的空间三维坐标。 

    而基于OpenGL的钻孔孔道三维重构模块主要在得到特征点的空间三维坐标后进行钻孔孔道三维重构，并且在这个重构的三维模型中反映处理后的一些特征数据，例如在钻孔孔道什么位置发生了多少度的偏转等信息，为后期研究提供技术支持。 

在本发明中对不同的偏差，采用不同的技术进行补偿，如各传感器的安装定位误差，属于静态偏差项，可通过精确测量其误差值进行在线补偿。对于陀螺仪的零点漂移和加速度计由于振动影响造成的误差，属于动态误差。通过补偿滤波融合，以此来校正钻孔运动的姿态，估计出角度误差和角速率偏差。以修正陀螺输出产生的角度漂移，从而得到最优的运动方向。通过对加速度的数据进行滤波处理，确定钻孔当时状态，消除计算速度时的漂移。二者结合得到最优的孔道位置。 

   由于外接钻杆的长度是有限的，一般长度在1.5m～2m，因此，需要在钻杆推进过程中停止下来再外接另一段钻杆，这时本发明的系统处于静止状态；只有在续接上一段钻杆后，重新推进钻杆才能处于运动状态；根据接上钻杆的时间差，本发明的系统的运动状态可以看着是一个马尔科夫模型，一共分为2个状态：静止状态和运动状态。在运动状态，三轴加速度传感器受到地球重力场、钻杆的推力、机械振动的作用，而在静止状态，只受到地球重力场的作用。 

因此，设计基于惯性传感设备的马尔科夫运动模型的速度修正算法如下： 

(1)   根据加速度传感器采集到的三轴加速度的值为，设定两个阀值，若，则认为锚索钻孔处于运动状态；否则，认为系统处于静止状态。

(2)   对运动状态的数据进行去毛刺的滤波处理，静止状态和运动状态都是连续的，对静止和运动状态中的突变，一般是由于机械振动的误差造成的。确定运动状态的时刻。其中，表示锚索钻孔第k个时间静止状态的时间段，其中，表示锚索钻孔第k-1个时间运动状态的时间段。 

(3)   采用四元数卡尔曼滤波的方式，对采集到加速度、陀螺仪、磁通量传感器中的原始数据进行滤波融合，校正由于机械振动、零点漂移的误差，得出传感器坐标系相对参考坐标系的姿态角变化的四元数。 

(4)   重力场是固定不变的，在参考坐标系下的值为g=[0 0 1]，通过（3）得出的传感器坐标系相对参考坐标系变化的姿态角的变化，计算出重力场在传感器坐标系下的影响。在传感器坐标系下测得的重力的值为即为锚索钻孔的传感器坐标系运动加速度的值。 

(5)   将锚索钻孔的传感器坐标系运动加速度的值转化为在参考坐标系下的运动加速度。 

(6)   若采样时刻，则可以判断出锚索钻孔处于静止状态，在静止状态下，可以设定锚索钻孔三轴的运动速度均为；否则进行第（9）步。 

(7)   实际上由于加速度传感器的漂移、振动引起的误差，。通过对进行积分处理，得到其速度漂移误差，漂移误差初始值重0开始。若，进行第（8）步，对速度漂移误差进行修正，否则进行第（11）步。 

(8)   可以计算出在时间段内，锚索钻孔运动速度的平均漂移误差为，作为下一时刻运动状态的速度漂移。 

(9)   根据前一时刻的速度和当前时刻的加速度加速度积分，得到当前时刻的速度，再进行第（11）步。 

(10)  根据第（8）步计算得出的速度漂移误差，修正第（9）步m时刻得到的速度值。通过推动设备杆造成锚索钻孔的运动，运动的速度值不可能太大，可以根据锚索钻孔运动速率的规律，设定其一个阈值。若，取，取。 

图7为马尔科夫运动模型速度修正算法的流程框图。 

为进一步阐明本发明所采用的技术手段，下面结合附图对具体实施说明如下。 

（1）按照图2的型式，将两个数据采集系统2装入设备专用杆3，一端通过螺丝扣7旋进推进钻头，另一端旋进固定杆4，将数据采集系统2固定，固定杆4再外接钻杆，即可推进钻孔进行测试工作。 

（2）将安装好的设备放入钻孔孔口后，通过手持终端5开启数据采集系统2开始工作，稳定的将设备杆推入钻孔，直到孔底，然后再稳定的将此设备抽出钻孔，当设备杆到达钻孔口时，再通过手持终端5关闭数据采集系统2，使其停止工作，这样一个钻孔就测试完毕，同时每一个点由于运动方向不同测量有两次数据，以备数据处理时相互校正，提高测量精度。 

（3）在设备杆运动过程中，数据采集系统2中九轴传感器模块17实时采集运动的加速度、角度和磁通量变化等数据，并通过MEMS运动追踪模块16、主控制器单元18进行数据优化。 

（4）将步骤3中优化后的数据以规定的数据包格式存储到数据存储模块14。 

（5）通过蓝牙传输模块15或者读取SD卡14，读取完整的感测数据包。 

（6）将步骤5中读取的所有数据作为输入基于OpenGL的数据处理和孔道生成软件系统的手持终端5或便携工作站6。 

在软件系统中，用长大锚索钻孔孔道测量优化方法将数据处理解算出精准的特征点的空间三维坐标点，利用这些点绘制钻孔孔道三维空间图。 

图8为长大锚索钻孔孔道测量系统操作流程。 

Claims (5)

1.一种基于惯性传感器的长大锚索钻孔孔道测量系统，包括数据采集盒，以及固定数据采集盒的设备专用杆和固定杆，以及手持终端、便携工作站、可充电电源，其特征在于：数据采集系统其中的中央芯片A面集成有MEMS运动追踪模块、九轴传感器模块、数据存储模块、蓝牙传输模块，其中央芯片B面为主控制器单元，数据采集系统主要用于采集数据，并向手持终端或便携工作站进行数据传输；

所述的MEMS运动追踪模块、九轴传感器模块的作用是获取锚索在钻孔过程中连续特征点上的运动惯性数据，通过对每个特征点的数据进行解算获得连续特征点的三维坐标，从而由各个特征点的空间三维坐标构建出整个钻孔孔道位置；

  便携工作站为置入软件系统的计算机，通过蓝牙技术接收数据采集系统采集的数据，进行数据处理，并进行可视化显示，亦可生成标准格式的数据与图形导出到其他设备；

进一步的，所述的软件系统为数据接收系统、数据处理算法系统、误差补偿处理系统以及三维空间轨迹显示系统；

数据接收系统为接收中央单元采集的数据，并临时存储，以便于进行下一步的处理；

数据处理算法系统是将采集的原始数据按卡尔曼滤波算法进行处理，得到可掌握的格式的各特征点三维空间坐标，利于图形显示；

误差补偿处理系统是通过马尔科夫运动模型的速度修正算法对原始三维坐标数据进行处理，消除重力、振动等对数据结果的影响；

三维空间轨迹显示系统是基于OpenGL的数据处理与轨迹生成软件，完成从运动惯性数据到特征点的空间三维坐标的解算功能，进一步从特征点坐标到三维轨迹的绘制和显示。

2.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的长大锚索钻孔孔道测量系统，其特征在于：所述九轴传感器模块分别为三轴陀螺仪、三轴加速度计以及磁力传感器，三轴陀螺仪完成锚索当前姿态角的测量，三轴加速度计完成锚索钻孔过程中在X,Y,Z方向上产生的加速度，磁力传感器完成对倾斜误差的补偿，校正运动惯性数据。

3.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的长大锚索钻孔孔道测量系统，其特征在于：数据存储模块为SD卡，传感器模块经过运动感测融合算法处理后输出原始的感测数据，并作为输入进入主控单元再次经过数据优化算法后以数据包的形式高速的存储到SD卡数据存储模块上，以备之后读取数据进行三维孔道重构。

4.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的长大锚索钻孔孔道测量系统，其特征在于：蓝牙传输模块主要承担通信、数据传输功能，将SD卡中存储的数据传输入便携工作站或手持终端进行处理。

5.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的长大锚索钻孔孔道测量系统，其特征在于：所述手持终端为控制数据采集系统进行工作或停止工作的设备，采用蓝牙技术对数据采集系统进行控制；并且带有显示屏；实时显示设备所处状态及通过蓝牙技术对电源电量监控得到的电源的电量，预设电量不足报警阈值；并能通过android平台对感测数据处理、完成钻孔孔道的绘制与显示。